基于Hydrus-1D的包气带污染物运移规律研究

武 斌，陈建东

(1.华北科技学院 研究生院，北京 东燕郊 065201；2.河北煤炭科学研究院，河北 邢台 054000)

地下水环境评价中，天然包气带的污染风险评价较为复杂却尤为重要。包气带指的是地表到潜水位之间的非饱和带，它既是污染物自地表进入含水层的重要媒介，也是地下水免遭污染的良好保护层[1]。对于范围较广或巨厚包气带地区，大量现场取样非常困难甚至难以实现。将Hydrus-1D软件应用到包气带溶质运移中，模拟污染物在时间和空间上的动态变化过程，具有极强的便利性，其结果可作为污染物进入含水层的判断依据，使地下水环境评价更加科学、完善[2-5]。

1 研究区概况

研究区位于河北省廊坊市某化工建设场地，面积约为20 km2。该区域地处潮白河的中下游，地势低平，地面自然纵坡1/1500左右，属于暖温带大陆性气候，年平均气温11.1℃，总降雨量为905.1 mm，年蒸发量1681.9 mm。历史平均降水量为617.4 mm。相对温度平均为58%，全年日照时数平均为2870小时，历年平均无霜期183天，最大冻土深度77 cm，最大降雪厚度26 cm。园区内浅部含水层岩性以多层结构的砂层及多层结构砂层夹少数砂砾石层为主。土壤类型以砂土、砂质壤土为主。

根据资料可知研究区包气带厚度约为43.5 m，水源补给主要是大气降水和侧向补给。选择化工园区典型有机污染物为研究对象，采集土壤剖面样本，实验获取场地包气带各地层结构土壤含水率及污染物初始浓度分布情况。采用环刀取样法自地表起每隔0.5 m采集1个土壤样品，取样深度为5 m，共采集2组。实验室内通过筛分法进行包气带土壤粒度成分测定，使用土壤水分仪测定各样品土壤含水率。样品定名、土壤含水率及DOC检测结果见表1。

表1 土样名称及含水率、DOC测试结果

2 模型构建

Hydrus模拟污染物随降水进入包气带后的迁移本质就是研究水流运动及溶质迁移过程中的浓度变化。构建土壤剖面模型并应用软件的水流及溶质运移两大模块，模拟主要研究长时间降雨入渗条件下的地下水污染风险，故将模拟时间分时段设为30天，100天和1000天[6]。

2.1 土壤剖面构建

根据研究区16个钻孔点资料，将研究区的包气带概化为一维非均质各向同性结构模型，化工园区场地地层结构及岩性自上而下由砂岩和砂质泥岩交替构成，刻画出研究区各地层岩性及厚度的精细剖面图，如图1所示。

图1 包气带地层概化图

试验模拟水流在分层土壤中的流动。降水数据采用当地气象部门多年平均降雨量，据气象资料显示2006～2016年三河市年平均降雨量为526 mm。模型将土壤剖面分为5个单元，共2种土层[7]。土壤参数取经验值如表2：

2.2 水流模型构建

在污染物随降雨入渗过程中，土壤水分运动仅考虑一维垂向运移而忽略水平及侧向水流运动，通过Richards方程来描述水流在非均质各向同性多孔介质中的一维平衡运动[8]：

(1)

式(1)中：h为压力水头，m；θ为体积含水率，m3/m3；t为时间，a；S为源汇项，m3/(m3·a)；α为水流方向与纵轴夹角，认为水流一维连续垂向入渗，故α=0;K(h)为非饱渗透系数，m/a。

表2 土壤水分特征参数

在Hydrus-1D提供的数学模型中，选用VG模型来计算非饱和介质中土壤水力学参数，以土壤水分特征参数函数的形式预测非饱和渗透系数，不考虑水流运动的滞后现象，其公式如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中：θr为土壤介质残余含水率，m3/m3；θs为土壤介质饱和含水率，m3/m3；α和n为土壤水分特征曲线相关系数，α单位为m-1，n无量纲；Ks为饱和渗透系数，m/a；l为孔隙连通性系数，一般取值为0.5，无量纲。

考虑是自然降雨连续入渗，初始条件的设定不会对结果产生较大影响，故水流上边界条件选择定水头边界，依据地表水分通量设定顶部水头为0.05 m。因研究区包气带较厚且底部水量交换很少，潜水位变化对水流及溶质运移的影响不大，故下边界条件选择自由排水边界。

2.3 溶质运移模型构建

选择化工园区典型有机污染物为研究对象，用化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)表示。依据多孔介质溶质运移理论，采用经典对流-弥散方程来描述一维溶质运移[8]：

(4)

式(4)中：c为溶质液相浓度，g/m3；s为溶质固相浓，g/g；D为弥散系数，m2/a，指分子扩散及水动力弥散，纵向弥散度DL设定为包气带厚度的1/10；q为体积流动通量密度，m/a；Δ 为源汇项，g/(m3·a)。

溶质运移的边界条件设置选择以液相浓度作为模型的初始条件，上边界选择定溶质浓度通量边界而下边界选择零浓度梯度边界。初始时刻在不考虑土壤背景值的情况下认为土壤中污染物浓度为零。由2016年全年监测资料可知，工业废水中COD值主要分布在1240.0～3607.7 ng/L，选择全年平均值1985.5 ng/L作为模型输入值进行模拟。

2.4 模拟结果

根据试验需要将地面边界设置为可产生积水的大气边界，下端边界类型为自由下渗排水。根据以上设定的参数及边界条件，运行Hydrus-1D软件，运行后输出模拟结果可得出污染物各时间节点在包气带中的运移情况。

图2 30天污染物运移模拟示意图

图3 100天污染物运移模拟示意图

图4 1000天污染物运移模拟示意图

污染物参数30d100d1000d地表浓度(mg/L)1432 5735 630COD中心点浓度(mg/L)1032 5585 8355 07最大迁移距离m6 810 715 5

根据预测结果，早期污染物浓度在垂向上随入渗深度增大而递减。污染物随降水进入表层土壤时因砂土层渗透系数相对较低，下渗速率较慢，从而导致COD浓度按梯度分布，最大迁移距离为6.8 m(图2)。100天时，随着入渗深度的增加，由于水动力特征和一系列复杂的物理化学变化过程，可使污染物被吸附、络合沉降从而降低其浓度，故而污染物浓度峰值离开地表开始向下转移，污染羽扩大至10.7 m(图3)。1000天时，污染物在土壤中经过分解、稀释和转移等一系列综合反应，浓度大幅下降且趋于均匀化，污染羽整体下降但并未扩大，最大运移距离为15.5 m，远离地表但并未进入含水层(图4)。

3 模拟验证

为验证模型模拟结果的可靠性，在100天时采集土壤样本进行COD检测分析，并使用Hydrus-1D按照包气带剖面介质类型构建验证模型，模拟100天降雨入渗中高锰酸盐的垂向运移，得出土壤中污染物运移规律并将模拟结果与测试结果进行对比，结果如图5。

图5 土壤样品COD测试结果及模拟结果对比

通过实测与模拟结果对比可以看出，有机污染物浓度的垂向变化具有一致性，不同点在于表层0～1 m处污染物浓度模拟值均高于实测值，深度达到1 m后，实测浓度值下降趋势呈波动型而模拟浓度值呈直线型迅速降低。

考虑在相同介质中污染物运移发生的主要反应有吸附和衰减，因而模拟中污染物随雨水继续下渗浓度极低。而在实际入渗过程中，污染物除了被吸附及衰减外还可能会发生共迁移，沿孔隙、裂隙快速下渗等多种反应及运动方式造成在深部的污染物浓度实测值往往大于模拟值[9]。

综上所述，COD的实测浓度值与模拟浓度值拟合效果较好，实际值与模拟值趋势变化基本一致，能够客观反映研究区有机污染物在包气带中的运移特征，其计算结果能够应用于包气带污染风险评价。

4 结论

(1) 通过Hydrus-1D模拟包气带中污染物运移可以得出，在观测期内研究区剖面上污染羽自上而下逐渐均匀化，最大运移距离为15.5 m，污染物未进入含水层(含水层埋深44 m)，符合环保要求。

(2) 预测结果可知，污染物迁移距离在30天时为6.8 m，100天时为10.7 m，1000天时达到15.5 m，针对不同污染物下渗时期采取相对应的治理措施，能及时有效的对土壤进行系统修复。

(3) 通过分析可知，土壤对污染物虽有一定的吸附过滤能力，但不能无限制地对污染质进行阻截。建议施工方及时排污处理并定期检测土壤污染物浓度含量是否达标，以免造成严重的包气带污染，甚至污染地下水。

[1] 李纯,武强. 地下水有机污染的研究进展[J]. 工程勘察,2007(1):27-30.

[2] 国家环境保护部. 环境影响评价技术导则地下水环境[S]. 中国环境科学出版2016.1.7.

[3] 李玮,何江涛,刘丽雅,等. Hydrus-1D软件在地下水污染风险评价中的应用[J]. 中国环境科学,2013, 33(4):639-648.

[4] Simunek J, Sejna M, Jacques D,et al. Numerical Modeling of Vadose Zone Processes using Hydrus and its Specialized Modules[J].Science of the Total Environment, 2014:30.

[5] Minh N N,Stefan D, Jorn K. Simulation of retention and transport of copper, lead and zinc in a paddy soil of the Red River Delta,Vietnam[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2009, 129(1):8-16.

[6] 薛强, 梁冰,刘晓丽,等. 土壤水环境中有机污染物运移环境预测模型的研究[J].水利学报, 2003, 34(6):48-55.

[7] 来剑斌. 土壤水分运动特征及其参数确定[D]. 西安：西安理工大学,2003.

[8] Simunek J, Sejna M. The HYDRUS-1D Software package for simulating the movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media [EB/OL].2009.

[9] 李建东,全占军,刘记来,等. 半干旱巨厚包气带区污染物运移模拟研究[J]. 节水灌溉,2015(1):65-67.